优化组合型节能、长寿、高风温顶燃式热风炉设计理念

建国以来，我国引进和自主发明创造的热风炉炉型种类频多。引进的炉型有日本新日铁外燃式热风炉、霍戈文内燃式热风炉、PW外燃式热风炉、卡鲁金顶燃式热风炉；我国自主研发的热风炉炉型有符政学大功率顶燃式热风炉、首钢套筒顶燃热风炉、张思德顶燃式热风炉、豫兴悬链线顶燃式热风炉、赛迪豫兴旋流交错顶燃式热风炉、柳钢型顶燃式热风炉等。根据燃烧方式又分为长焰混合燃烧热风炉技术、短焰混合燃烧热风炉技术、无焰混合燃烧热风炉技术三种结构形式。根据燃烧器的结构形状又分为短焰型燃烧器、长焰型燃烧器、大功率顶燃无焰型燃烧器。每种结构形式的热风炉和结构形式的燃烧器均有各自的优点和缺陷，如果将各种炉型的优点集中优化为一种性价比合理、结构稳定、混合均匀、燃烧完全的节能、长寿、高风温型热风炉，炼铁热风炉长期影响风温、燃料比、寿命的共性问题将不复存。

一、 不同燃烧技术燃烧结构特点分析

目前，顶燃式热风炉有长焰混合燃烧、短焰混合燃烧、无焰混合燃烧三种形式。下面具体分析三种燃烧技术的优劣特点。

1）长焰混合燃烧器技术

长焰混合燃烧器结构类型频多，分布在上世纪末期和本世纪初期的各种热风炉结构形式中，混合燃烧模式均是扩散预混长焰燃烧技术。其特点是空气过剩系数大、一般达到1.1-1.5之间才能实现煤气完全燃烧，并且热风炉燃烧室必须具备足够的混合燃烧空间，才能弥补长焰混合燃烧造成的混合不均匀、燃烧不完全的缺陷，由于空气过剩系数过大，带进热风炉内部的冷空气量大，产生的烟气量也大，对风温有一定的降低幅度影响、且废气成分中一氧化碳排放含量仍然较高，尤其外形如保龄球状顶燃式热风炉预燃室煤气、空气分层预混旋流混合燃烧技术存在爆震燃烧的特征，解刨的预燃室结构空气喷嘴完好率100%，但煤气喷嘴损坏率高达100%予以证明爆震存在，预燃室在送风和燃烧过程中还存在有较大的温差，对预燃室结构稳定性有一定的影响，如果达到节能、长寿、高风温的燃烧技术，需要进一步进行技术改进。

2）短焰混合燃烧特征

赛迪豫兴型顶燃式热风炉，外形如保龄球状，在热风炉顶部采用煤气、空气交错旋流短焰混合燃烧模式，混合相对均匀，火焰较短、燃烧相对较完全、风温相对较高、空气过剩系数小，一般为1.05-1.06，废气量小，排放比较环保，是节能型炉型，预燃室在送风和燃烧过程中的温差较小，预燃室结构稳定性强。

3）无焰混合燃烧特征

符政学型、段润新型、柳钢型热风炉，外形如保龄球状，采用的是内预混无焰混合燃烧模式，特点是窥视孔观察其混合燃烧无火焰焰苗，混合燃烧效果很好、风温较高、空气过量系数为1.02-1.03，排放环保。柳钢型热风炉段润新型热风炉和符政学热风炉的区别在于柳钢及段润新热风炉热风出口设置在预燃室内，送风和燃烧过程预燃室温度较高，对耐火材料的性能要求更高。而无焰混合燃烧热风炉设置的煤气环道截面积小于空气环道的截面积，主要目的防止回火，这会对煤气吃进量有明显的限制，无焰混合燃烧技术进一步优化改进，解决好回火缺陷，无焰混合燃烧型热风炉将是节能、稳定、长寿、高风温热风炉的发展方向。

目前，长焰、短焰、无焰三种混合燃烧模式从目前实践应用角度验证，短焰混合燃烧技术属于较节能、操作安全的成熟技术。虽然三种形式的混合燃烧模式均在使用，但随着国家环保政策的逐步加强，使用单位越来越重视高效、环保、节能技术的应用。如果重点加强无焰混合燃烧技术进一步的研究优化，无焰燃烧将逐渐取代短焰和长焰混合燃烧技术，实现真正的节能、高效技术的应用。

二、热风炉燃烧室特点分析

热风炉是否稳定长寿、关键在于长期高温工况环境的燃烧室结构。

新日铁热风炉燃烧室锥形拱顶是独立支撑在炉壳之上的结构、保龄球状热风炉锥形拱顶直接砌筑在热风出口大墙之上的燃烧室结构，霍戈文热风炉燃烧室悬链线拱顶是独立支撑在炉壳之上的结构。有资料记录燃烧室拱顶使用寿命长达44年、实现风温1250-1280度热风炉的是荷兰克鲁斯钢铁公司7号2500m³高炉霍戈文内燃式燃烧室悬链线拱顶结构，新日铁燃烧室锥形拱顶使用风温1250-1280度，其燃烧室寿命在我国上海宝钢也有32年的长寿使用记录还在继续服役。锥形拱顶砌筑在热风出口大墙之上的顶燃式热风炉截止目前还很难查到有超过10年以上稳定的记录。

尽管顶燃式热风炉在我国已经有30-40年的使用历史，煤气、空气分层预混旋流混合燃烧的顶燃式热风炉在我国也有十几年的使用历史，尽管顶燃式热风炉风温高、占地面积小、投资省，但是顶燃式热风炉的缺陷造成的燃烧室热风出口结构损坏、垮塌严重影响钢铁企业的经济效益和节能环保指标。如果能很好的借鉴新日铁外燃式热风炉的锥形燃烧室拱顶结构和霍戈文的悬链线拱顶燃烧室结构设计理念，对现有顶燃式热风炉燃烧室结构进行彻底的优化改进，顶燃式热风炉也一定是稳定长寿、节能、高风温、低投资的顶燃式热风炉技术。

需要优化的顶燃式热风炉，主要存在两大结构缺陷；一是预燃室煤气喷嘴的损坏率高达100%、空气喷嘴率完好率也是100%；二是燃烧室热风出口和拱顶的损坏率高达90%以上（2017年9月27日由河钢集团宣钢整体搬迁乐亭钢铁项目组，组织的含中冶京诚、河钢集团、豫兴公司在内的六家专业公司唐钢国际会议室面对面技术交流会上，河钢专家肯定热风出口和拱顶损坏率在90%以上）。预燃室结构的损坏对实现高风温没有太大的影响，但是燃烧室结构的损坏对高风温的影响是致命的，目前笔者收集的燃烧室结构损坏案例高达150多座，涉及到450m³-5000m³级别高炉配套的顶燃式热风炉。为此，河北省中铁装备制造公司的4座高炉配套的顶燃式热风炉就出现热风出口和锥形拱顶燃烧室结构不稳定、炉壳发红、烧穿、热风出口和锥形拱顶内衬频繁垮塌状态，该公司决策层反复研究讨论在不停产条件下，逐步对现有的1号、2号、3号2500m³高炉配套的9座顶燃式热风炉燃烧室部位实施切割炉壳进行优化改造为豫兴四段式顶燃式热风炉结构，改造周期历时一年，顶燃式热风炉改造期间实施一烧一送一大修制度，直接降低风温和改造投资超亿元以上，自2017年9月10号至今已经采取切割炉壳的大修改造竣工8座热风炉，第9座热风炉计划在2018年9月底前完工。在国内类似中铁装备制造的大修改造业主越来越多。

2017年9月27号，由河钢集团乐亭整体搬迁项目部组织的在国内热风炉技术具有影响的含中冶京诚在内的六家企业进行为期一天的面对面技术交流会，大家一致讨论决定采用豫兴提出的在中铁装备制造进行切割炉壳大修改造实践的四段式顶燃式热风炉作为河钢乐亭钢铁基地配套的顶燃式热风炉炉型。目前，河钢集团乐亭钢铁基地4X3000m³级别高炉配套的豫兴四段式顶燃式热风炉结构，正在紧锣密鼓的设计施工之中。简而言之豫兴四段式热风炉燃烧室结构就是把现有的锥形拱顶和热风出口直段连体结构进行分离，将燃烧室集中的应力通过将锥形拱顶独立支撑在热风炉炉壳之上与热风出口大墙实施分离为转移至炉壳之上，这样的结构彻底解决了结构垮塌和局部炉壳高温隐患。

如果，将新日铁外燃式热风炉锥形拱顶燃烧室结构和霍戈文燃烧室结构的理念相结合，将使燃烧室拱顶结构像新日铁和霍戈文拱顶结构一样，使用寿命超过30年至44年，顶燃式热风炉才能实现长寿节能的高风温。所以，燃烧室结构是热风炉长寿最关键的技术结构。

3 霍戈文悬链线拱顶技术的核心

1）核心技术之一

悬链线拱顶采用霍戈文高温长寿硅砖结构形式，悬链线拱顶铰链结构，设置有60个独立的关节板块结构，关节之间特意设计的膨胀缝是配合关节砖在烘炉升温或停炉降温至硅砖晶形转变过程中，体积变化，各板块独立变形，相互间不干涉，在高温环境下可以实施自由独立蠕动转动运动，且第一层硅砖和第二层轻质砖之间设计有30-50毫米的夹层孔隙，采用高温熔融后自动闭合的功能设计。设置在拱角之上的板块结构，板块之间设置有15mm的上下直通通缝，板块的上下关节砖之间高度为1-1.2米。除此之外，拱顶第一层和第二层砖之间还专门设有均压孔匹配均衡硅砖拱顶衬内外压力。这些设置均是对大型高炉热风炉依据炉型的直径和拱顶高度经过精细计算设计预留的。

2）核心技术之二

功能设计的悬链线拱顶之特殊要求是，内环重质砖与中环轻质砖之间采用泡沫板填充，泡沫板在升温至200℃左右甚至温度更低条件下，全部将泡沫板融化掉，充分保留拱顶衬之间的膨胀空隙。同时，为了是拱顶结构的稳定性和膨胀系数过大造成与保温层结构无法实施吻合贴紧，除了关节砖上部的拱顶砖、每隔四层砖设置一层垫硬纸板铺置后砌砖层、这些层硬质纸板烧失后，可以解决硅砖加热后向上叠加累积膨胀，起到递减吸收膨胀的作用。硬纸板烧失后的拱顶砖形成凸凹槽紧密环扣一体的燃烧室拱顶结构。

3）核心技术之三

在拱顶部位中下部板块结构中的两层关节砖的间隙采用木楔，当加热燃烧至一定温度时，木屑燃尽，关节砖随燃烧室轻体膨胀和压力作用而自由进行微小转动调节作用。而每一组关节砖的凹凸接触面积和受力是经过计算的，制品经过细磨加工组装，凸凹组合接触面严实无缝隙率达70%以上，该组砖通过设计，可以支撑上部拱顶砖重量和膨胀运动受力的作用，受力合理，不会出现断裂现象。

4）核心技术之四

板块之间的膨胀缝是特设的功能性缝隙，硅砖膨胀后不得实现完全闭合，完全闭合板块转动受限，不利于板块自由膨胀变化，硅砖内衬后面和轻质砖之间的聚乙烯板经过烘炉后融化形成缝隙，对后面的轻质砖的高温和压力作用有限，不会烧坏轻质拱顶层材料。                

5）核心技术之五

燃烧室拱顶衬和轻质砖之间填充泡沫板，泡沫板消融后，硅砖拱顶内衬的自然闭合是经过详细计算设计的，在硅砖线膨胀结束后，硅砖内衬膨胀缝隙远远不能抵消硅砖的膨胀量，增加多层硬纸板，环铺3mm，经过高温烧失后被膨胀吸收。两层拱顶自然闭合，即使有微小的层缝隙，由于设置的均压孔的作用，也不会造成大量高温褚留在夹层缝隙之间，且轻质硅砖就起到高温作用。在武钢、鞍钢、唐钢、沙钢等25座大型高炉配套设计及实践中已经得到稳定长寿使用验证。

4 优化组合新的顶燃式热风炉

通过对霍戈文热风炉燃烧室拱顶核心技术和新日铁外燃式燃烧室锥形拱顶结构的研究，将两种燃烧室核心技术融合进新的四段式顶燃式热风炉燃烧室拱顶结构之中，实施长寿、节能、高风温的四段式顶燃式热风炉技术应该是当之无愧。

由于顶燃式热风炉的炉体低、占地面积小、风温高、见效快等诸多优越特点已经成为主流热风炉技术，在进行优化顶燃式热风炉的过程中，改善分层预混旋流长焰混合燃烧技术缺陷，使其节约燃料、减少一氧化碳排放、提高风温、减少预燃室结构温差、避免延时点火爆震燃烧对煤气燃烧器喷嘴的损坏，缩小空气过剩系数是其主要的优化部位，对预燃室结构的持续优化改进，才能符合国家环保、节能、改善人民最佳居住环境政策的需要。而顶燃式热风炉热风出口及锥形拱顶致命结构垮塌缺陷，即使采用了局部结构优化、高档耐高温的优秀耐火材料，但对于叠加累积膨胀造成的破坏隐患仍存，当这些隐患爆发之日就是企业损失之时，借鉴新日铁独立支撑锥形拱顶长寿实践，是解决顶燃式热风炉现存拱顶垮塌和隐患的唯一经典实践案例。采用霍戈文燃烧室核心技术，会使顶燃式热风炉更加长寿、节能、高风温。

5 小结

采用顶部预燃室短焰燃烧的燃烧器，燃烧器结构与下部断开支撑在炉壳之上，采用独立支撑的燃烧室锥形拱顶，锥形拱顶结构与上下部断开支撑在炉壳之上，采用镶嵌有热风出口的燃烧室直段结构，该直段结构与上下部位断开独立支撑在炉壳之上，下部的蓄热室结构坐落在炉基之上，形成了预燃室、燃烧室锥形拱顶、热风出口直段、蓄热室四段式段段脱开，不受任何涨缩等应力约束；将高膨胀的硅砖燃烧室锥形拱顶结构设计为拱顶内衬与保温内衬各自独立、不受各自涨缩约束的椎体结构，新的长寿、稳定、节能、高风温四段式顶燃式热风炉综合技术将为钢铁行业的高效高产发挥更大的优势和作用。